금속 절연체 전이 소자 제작을 위한 물리적 기상 증착법 기반의 VO2 박막 제조 및 특성 평가 연구

Abstract

현재의 연구흐름으로는 기존의 Si 기반 반도체 채널의 Boltzmann Limit를 극복하고, 초 저전압의 FET을 구현하고자 하는 노력이 계속되고 있다.[1–3] 이를 달성하기 위해 Mott 전이를 이용할 수 있음이 최근 여러 연구를 통해 입증되기 시작하였으며, 상대적으로 낮은 외부 자극에 의해 물질의 집단적 거동의 변화를 일으킬 수 있는 Vanadium oxide 물질이 주목받고있다. 다양한 화학양론비의 Vanadium oxide 중에서 VO2는 상전이 온도가 68℃로서, 상온 근처에서 제어가 가능하며, 초고속 스위칭 특성, 기하급수적 전류증가라는 여러 장점을 가지므로 많이 연구되고 있다. 하지만, 화학양론비 제어가 까다롭고, 균일한 대면적 VO2 박막의 성장이 어렵다는 점을 극복해야 한다. 이 논문에서는 고품질 대면적 VO2 박막을 형성하기 위한 해결책을 제시하고, 소자로서의 응용가능성을 보여준다. 첫째로, RF magnetron sputter와 E-beam evaporator 를 사용하여 VO2를 형성한 후, 전기적 성능을 비교하였다. Sputter로 제작된 샘플의 경우에는 3일이 지난 후, MIT 특성이 사라졌으며, 안정성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. E-beam evaporator의 경우에는 1달뒤에 동일 지점을 측정했을 시에도, 뚜렷하고 재현성 있는 결과를 얻었다. E-beam evaporator를 사용해 Vanadium metal 을 선 증착한 후, 산소 유량과 열처리 온도, 시간을 제어하여 최적의 Vanadium oxide film 제조에 성공했다. 둘째로, Si/VOx 사이의 계면 mixing을 줄이기 위해서, Vanadium metal dot을 native oxide 하부에 형성시켜준 후, 열처리 과정에서 우선적으로 native oxide와 반응하는 layer를 만들어 줌으로서, Si과 VOx 사이의 direct interface mixing을 줄일 수 있었다. 이러한 아이디어는 바나듐 산화물 뿐만 아니라, 다양한 산화물 계열에서 계면 mixing 문제를 줄이기 위한 해결책으로 사용될 수 있다. 마지막으로, Si/VO2 소자의 응용가능성을 확인하기 위해서 빛을 가해주면서 측정을 진행했다. 다양한 세기의 빛을 가해주면서 MIT가 발생하는 전압을 측정했을 시, 빛의 세기가 강했을 시 MIT 가 발생하기 위해 필요한 임계 에너지가 작아지므로 MIT 전압이 감소하는 것을 확인했다. 또한 MIT 전압이 바뀜에 따라 히스테리시스 루프의 면적도 바뀌는 것을 확인했으며, 이에 따라 센서, 메모리 소자 로서의 기능이 가능하며 더 나아가서 프로세싱의 기능도 수행하는 것을 확인했다. 결론 지으면, 차세대 반도체 소자의 혁신을 위해서는 새로운 물질의 선택이 필수적인 상황에 도달했다. VO2가 새로운 물질의 후보로 거론되고 있으며, 본 연구에서 고품질 대면적 VO2 형성 기술, 계면 mixing의 감소를 활용하여 Si 기반 device와의 원활한 통합이 가능함을 보여주었다. 이 연구를 통해서 차세대 저전력 소자의 개발에 있어서 VO2 대면적 증착 공정의 접목성을 재고해보고, 연구 결과가 VO2 상전이 연구에 대한 초석이 되길 기대한다.